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通過沼氣工程的建設運營,不但可以處理工業、  農業以及養殖業等各種有機廢棄物,而且可以產生  沼氣、沼渣和沼液。沼氣可以做飯、照明、發電、車用  燃料、工業原料用等,而且沼渣和沼液是非常好的優  質農作物肥料。因此,近年來,特別是在農業以及養  殖業方面,為貫徹落實中央關于建設生態文明、做好  三農”工作的總體部署,適應農業生產方式、農村  居住方式、農民用能方式的變化對農村沼氣發展的  新要求,積極發展規?；?a data-mid="118" href="http://www.jifangrenzheng.com.cn/a/221.html">大型沼氣工程,并開展規模  化生物天然氣工程,以推動農村沼氣工程向規模發  展、綜合利用、科學管理、效益拉動的方向轉型升級,  全面發揮農村沼氣工程在提供可再生清潔能源、防  治農業面源污染和大氣污染、改善農村人居環境、發  展現代生態農業、提高農民生活水平等方面的重要作用。因此,沼氣工程建設已步入了快速發展的軌道為適應新的形勢和機遇,保障沼氣工程的運行安全,本文對沼氣工程整體的防雷設計進行了系統梳理,以期提高我國沼氣工程防雷擊設計方面的整體水平。

1沼氣的特性

沼氣中的主要成分是甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)和少量的硫化氫(H2S)、氫(H2)、一氧化碳(CO)、氮(N2)等氣體。其中甲烷占50%~70%,二氧化碳占30%-40%,其他成分含量極少。

甲烷是無色、無臭的氣體,分子式CH4,分子量

為16.04,在0℃101325Pa標準狀態下,甲烷對空  氣的相對密度為0.5548,沼氣約為0.94;甲烷的熱  值為35.9M·m3,沼氣低熱值20.25M,m3  由表1可以看出,甲烷(沼氣)是一種易燃、易爆、易擴散的甲類可燃氣體,遇熱源、明火或雷電極易發生爆炸,產生嚴重的后果,所以必須在設計及施工階段予以重視。筆者主要對沼氣工程的防雷設計及注意事項進行探討

2沼氣工程防雷設計依據

沼氣工程防雷設計依據以下標準

《石油化工企業設計防火規范》(GB501602008);《石油天然氣工程設計防火規范》(GB501832004);《石油庫設計規范》(GB50074);《石油與石油設施雷電安全規范》(GB159200);《建筑物防雷設計規范》(GB50057-2010);《建筑物防雷工程施工與質量驗收規范》(GB5001-2010);《爆炸危險環境電力裝置設計規范》(CB50582014);《建筑物電子信息系統防雷技術規范》(GB503432012);《建筑物電氣裝置第5-53部分第534節》(GB16895  2204);(低壓配電系統的電涌保護器(SPD)第  12部分》(GB/T18802.12-2006);《低壓電涌保護器  第22部分:電信和信號網絡的電涌保護器(SPD)選  擇和使用導則》(GB/T18802.22);《建筑物防雷裝  置檢測技術規范》(GB/T21431-2015);《民用建

筑電氣設計規范》(JGJ16-2008);《建筑設計防火規  806014):(電力工程電纜設計規范》(68720)供配電系統設計規范》(005200)

3沼氣工程主要建構筑物爆炸和火災危險環境區域及范圍劃分

沿氣工程的主要構筑物有原料(秸稈)堆場、原

料(秸稈)粉碎間、進料間、厭氧消化器、脫硫裝置脫碳裝置、沼氣凈化間、氣柜、放散火炬、鍋爐房、發電機房、壓縮機房、控制室、高低壓配電室、固液分離車間、有機肥車間、有機肥庫房、維修間、辦公樓等,按照《爆炸危險環境電力裝置設計規范》(CB50058-2014)以及上面相關規范,各主要構筑物爆炸性危險區域及危險區域范圍劃分如表2。

4沼氣工程主要建構筑物的防雷分類及依據

根據《建筑物防雷設計規范》(GB50057-  2010)《民用建筑電氣設計規范》(JGJ162008)、

《石油與石油設施雷電安全規范》GB1599200以  及筆者多年的實際工程建設經驗,沼氣工程主要建  構筑物的防雷分類及依據見表3。

5沼氣工程防雷設計主要問題

沼氣工程各類防雷建筑物均應設防直擊雷的外  部防雷裝置,并應采取防閃電電涌侵入和雷電電磁  感應(第三類除外)的措施,具體在設計時還應注意以下幾個方面的問題

5.1接閃器問題  在一般情況下,除去1類雷建筑物(秸稈堆放  場和膜式沼氣氣柜)需要采用獨立避雷針、獨立接  地保護外,其余類別沼氣工程建筑物的接閃器均可采用避雷  帶、網帶保護。保護范圍的計算分別可按一,二,三  類防雷建筑物的滾球半徑(30m,45m,60m)計算。  建筑物頂部和外墻上的接閃器必須與建筑物欄桿、  金屬房頂、吊車梁、管道、設備、門窗、幕墻支架等外露的金屬物進行電氣連接。

5.2引下線問題

各類防雷建筑物的引下線不應少于兩根,并應沿建筑物周圍均勻布設,其平均間距不應大于12m,18m和25m;引下線兩端應與接閃器和接地裝置做可靠的電氣連接;引下線安裝與易燃材料的墻壁或墻體(或罐壁)保溫層間距應大于0.1m;引下線可利用建筑物的鋼梁、鋼柱、消防梯、檢修梯等金屬構件作為自然引下線,金屬構件之間應電氣貫通。

5.3接地及接地沖擊電阻的問題  盡可能利用建筑物樁基、梁、柱內鋼筋做接地裝  置的自然接地體;在有人員常經過或停留的引下線  與接地體連接處3m范圍內,應采用防止跨步電壓  對人員造成傷害的措施;接地體與建筑物之間的距  離按設計要求,無設計要求時,人工接地體與建筑物  外墻或基礎之間的水平距離不宜小于1m;如果建  筑物的防雷接地是獨立接地,一般要離開建筑物基  礎3m以外;接地體的連接應采用焊接,并在焊接處  做防腐處理;一、二類防雷建筑物的接地沖擊電阻<10歐,三類防雷建筑物接地沖擊電阻<30歐。

5.4等電位連接問題

對進出建(構)筑物的所有金屬管線做等電位連接,并在建筑物入戶處做總等電位連接;建筑物等電位連接干線與接地裝置應有不少于兩處的連接第1類防雷建筑物和具有1區,2區,21區和22區爆炸危險場所的第二類防雷建筑物內外的金屬管道、構架和電纜金屬外皮等長物體的跨接,其凈距小于100m時應采用金屬線跨接,跨接點的間距不應大于30m,交叉凈距小于100m時,其交叉處也應跨接;當長金屬物的彎頭、閥門、法蘭盤等連接處的過度電阻大于0.03歐姆時,連接處應用金屬線跨  接;室內電子設備的等到電位的連接方式應采用  點式方法接地,而不應互相串聯連接接地,以免引起

干擾現象  

5.5屏蔽問題  對于沼氣工程一,二類防雷建筑物內的電氣和  電子系統以及設在辦公樓內的控制室內的電子系統海  需要進行防雷擊電磁脈沖的設計。工作頻率小于  300kH的模擬線路,可采用星形結構(S型)等電  位連接網絡;頻率為兆赫(MH)級的數字線路,應  采用網形結構(M型)等電位連接網絡。對于管線  的屏蔽,整段管線應金屬連接良好,不應有空隙產生  漏磁現象,如果距離太長,中間也要接地一次。電子  設備的屏蔽應將設備的金屬外殼采用一點的接地方  式接地,如果體積過大,應有兩點接地。接地的線徑  應大于6mm為宜。同理,電子設備的放置問題,也  應離開外墻、梁柱有一定的安全距離。在需要保護  的空間內,采用屏蔽電纜時其屏蔽層應至少在兩端  并宜在防雷區交界處做等電位連接,系統要求只在  端做等電位連接時,應采取兩層屏蔽或穿鋼管敷  設。在分開的建筑物之間的連接線路,若無屏蔽層  線路應敷設在金屬管、金屬格柵或鋼筋成格柵形的

凝土管道內,這些金屬物從一端到另一端是導電貫通的,并在兩端分別連到建筑物的等電位連接帶  上;若有屏黻層,屏蔽層的兩端應連到建筑物的等電位連接帶上。另外,沼氣工程室內的線纜布置應避開外墻、梁柱等雷電流集中流過的地方,以免對線纜產生大的干擾現象

5.6綜合布線問題

應注意以下幾個方面

(1)低壓配電線路(三相或單相)的單芯線纜不應單獨穿于金屬管內

(2)不同回路、不同電壓等級的交流和直流電線不應穿于同一金屬管中,同一交流回路的電線應  穿于同一金屬管內,管內電線不得有接頭

(3)爆炸危險場所使用的電線(電纜)的額定耐  受電壓值不應低于750V,且必須穿在金屬管中;  (4)當信息技術電纜和供配電電纜同屬一個電  纜管理系統和同一路由時,電纜布線系統的全部外  露可導電部分,均應進行等電位連接  爭、(5)由分線箱引出的信息技術電纜和供配電電  行敷設的長度大于35m時,從分線箱起的20  m內應采取隔離措施,也可保持兩電纜之間有大于  30mm的間距,或在槽盒中加金屬板隔開;  冬(6)在條件許可時,宜采用多層走線槽盒強弱

5.7沼氣工程電涌保護器問題  

隨著沼氣工程自動化程度的提高,計算機、在線  監測儀表,PC系統,DCS系統等電子系統的應用日  漸增多,但其耐沖擊電壓的能力不高,由雷電流產生  的強大電磁場變化與導體感應出的過電壓、過電流  形成的雷擊,可能造成廠內電子設備損壞、數據丟失  等損失。因此,對于沼氣工程的一,二類防雷建筑物  內的低壓配電系統和電子系統信號網絡中應設置電  涌保護器(SPD)。如果第一級不能有效的保護設備和網絡信號時,應設計二級、三級SPD;無明確的產品安裝指南時,開關型SPD與限壓型sPD之間的線  路長度不宜小于10m,限壓型SFD之間的線路長度不宜小于5m。當SPD之間的線路長度小于10m  和5m時應加裝退藕的電感(電阻)元件

供電的形式最好采用TNS系統。供電線路最好埋地套鐵管引入。N線和PE線重復接地引出,電源裝電源避雷器。當電源采用TN系統時,從建筑物總配電箱起供電給本建筑物內的配電線路和分

支線路必須采用TNS系統

6沼氣工程防雷設計的其他注意事項

(1)當一座建筑物僅有一部分為第一,二,三類防雷建筑物且可能遭直接雷擊時,宜按各自類別采取防雷措施以及相應的防雷電感應和防雷電電涌侵入的措施

(2)當采用接閃器保護建筑物、封閉氣罐時,其外表面的2區爆炸危險場所可不在滾球法確定的保護范圍內。

(3)秸稈露天堆場,應采用防直擊雷措施。當其年計算雷擊次數大于或等于0.05時,應采用獨立避雷針或架空避雷線防直擊雷。獨立避雷針或架空  避雷線保護范圍的滾球半徑hr可取100m。在計算  雷擊次數時,建筑物的高度可按秸稈可能堆放的高  度計算,其長度和寬度可按可能堆放面積的長度和寬度計算。  (4)對于第二、三類防雷建筑物,沒有得到接閃  保護的屋頂孤立金屬物尺寸,在高出屋頂高度不  超出0.3m,上層表面總面積不超出1.0m2和上層  表面的長度不超出2m時,可不要求附加的保護措  施;金屬屋面的建筑物宜利用其屋面作為接閃器,設  計中需注意明確不同金屬材料的厚度要求,同時要  保證金屬板無絕緣被覆層

(5)除設計要求外,兼做引下線的承力鋼結構  構件、混凝土梁、柱內鋼筋與鋼筋的連接,應采用土  建施工的綁扎發或螺絲扣的機械連接,嚴禁熱加工連接。  

(6)工藝裝置內露天布置的塔、容器等,當頂板  厚度大于或等于4mm時,可不設避雷針、線保護  但必須設防雷接地。如沼氣站濕式儲氣柜和脫碳裝  置(膜式裝置除外),可不裝設接閃器(但對于濕式  儲氣柜,應將浮頂與外罐體用兩根截面不小于50  mm2的扁平鍍錫軟銅復絞線作電氣連接,連接點不  少于2處,間距不大于30m),容器外殼直接接地即  可,接地點不少于2處,兩接地點間距不大于30m;  但對于厭氧反應器和生物脫硫裝置等露天布置的容  器,由于容器外壁裝設有保溫板等外殼,需要將容器  頂部的防護護欄作為接閃器,再用不低于2處引線  與人工接地體相連。人工接地體距離罐體基礎不低  于3m,人工接地體與罐體地基基礎鋼筋再連接在  起,沖擊接地電阻不大于109

7結論

(1)沼氣是易燃易爆的危險性氣體,在沼氣工  程設計時應正確理解和研究防雷相關規范,對沼氣  工程相關設施的爆炸危險性進行分區,是確定建筑物和相關設施防雷分類的基礎  

(2)確定合適的防雷類型及適宜的防雷措施  才能保證建筑物和相關電氣設備和電子系統的安全運行  (3)設計防雷工程要對工程所在地自然情況進  行詳細的分析,并與當地相關部門結合,然后針對沼  氣工程的特點采取針對性方案,盡可能做到切合實  際、降低成本,力求做到經濟、合理、完善、可靠,獲取更大潛在效益。

總的來說,多年來盡管國內對沼氣工程相關工藝、設備、安全運行等技術進行了大量研究和報道并取得了不少的成果,但對沼氣工程整體防雷系統的設計探討較少,目前國內在這方面的研究尚存在欠缺。隨著越來越多特大型沼氣工程的建設和運行,以及眾多學者不斷投身于沼氣工程防雷技術的研究,將會使得沼氣工程防雷理論體系更加完善、防雷措施不斷趨于成熟、安全運行必將會切實得到保障,以推動沼氣工程這一清潔能源的快速發展。

摘自《中國沼氣》2018第一期 盧新社 劉耕 袁建永 張林燦 陳燦軍 史曉光

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